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Advanced Biology

Une introduction à la neuroanatomie

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Neuroscience

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An Introduction to Neuroanatomy

1.3: Calcium Imaging in Neurons

1.5: Rodent Stereotaxic Surgery

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10:15 min

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April 30, 2023

Overview

La neuroanatomie est l’étude des structures du système nerveux et de comment elles sont reliées aux fonctions. Un des centres d’intérêt des neuroanatomistes est la structure macroscopique à l’intérieur du système nerveux central et périphérique, comme les plis corticaux sur la surface du cerveau. Cependant, les scientifiques de ce domaine sont aussi intéressés par les relations microscopiques entre neurones et gliales – les deux types cellulaires majeurs du système nerveux.

Cette vidéo fournit un bref aperçu de l’histoire de la recherche en neuroanatomie, qui remonte au 4ème siècle AC, lorsque les philosophes furent les premiers à suggérer que l’âme réside dans le cerveau plutôt que dans le cœur. Les questions clés posées par les neuroanatomistes sont ensuite passées en revue, incluant des sujets comme le rôle que la cytoarchitecture, ou l’agencement des neurones et gliales, joue dans le fonctionnement du cerveau ; et comment la neuroanatomie change à cause d’une expérience ou d’une maladie. Ensuite, quelques uns des outils disponibles pour répondre à ces questions, comme l’histologie et l’imagerie par résonance magnétique, sont décrits. Finalement, la vidéo fournit plusieurs utilisations de la recherche neuroanatomique, démontrant comment le domaine vit aujourd’hui dans les labos de neuroscience.

Procedure

A travers l’étude de la neuroanatomie, les scientifiques tentent de dessiner une carte pour naviguer dans le système complexe qui contrôle notre comportement. Au niveau microscopique, les neuroanatomistes étudient les relations entre les cellules de signalisation, appelées neurones ; les cellules d’entretien, appelées gliales ; et la structure de la matrice extracellulaire qui les supporte. D’un point de vue plus large, au niveau des organes, la neuroanatomie examine les structures du cerveau et les voies nerveuses.

Cette vidéo fournit un aperçu de la recherche neuroanatomique en introduisant l’histoire du domaine, les questions clés posées par les neuroanatomistes et les outils disponibles pour répondre à ces questions, suivi par un aperçu de certaines expériences spécifiques étudiant la neuroanatomie.

Commençons par revoir l’histoire de cette branche de neuroscience. Les racines de la recherche neuroanatomique remontent au 4ème siècle avant J-C., lorsque Hippocrate émet l’hypothèse que l’activité mentale se situe dans le cerveau, plutôt que dans le cœur.

Mais ce ne fut pas avant la fin du 15ème siècle, lorsque le Pape Sixte IV déstigmatisa la dissection humaine, que l’étude de la neuroanatomie fut revitalisée, comme le reflète la publication en 1543 de « Sur le fonctionnement du corps humain » d’Andreas Vesalius, qui incluait une partie détaillée sur l’anatomie du cerveau.

S’étendant sur ce travail, Thomas Willis publia, en 1664, « Anatomie du cerveau », dans lequel il introduit plusieurs structures neurologiques novatrices et spécula sur leurs fonctions. Ce travail est maintenant considéré comme étant la fondation de la neuroanatomie moderne.

A la fin du 16ème siècle, l’invention du microscope amena une deuxième révolution dans la recherche neuroanatomique. Suite à cette avancée technologique, en 1873, Camilla Golgi inventa une technique de coloration pour visualiser les neurones seuls sous le microscope.

Grâce à ces innovations, en 1888, Santiago Ramon y Cajal formula la doctrine du neurone : l’idée que l’unité anatomique et fonctionnelle du cerveau est le neurone.

De retour au niveau macroscopique, en 1909, Korbinian Brodmann publia une série de cartes du cerveau, où il divisa le cortex cérébral en 52 zones distinctes, appelées « zones de Brodmann ». Ces cartes étaient basées sur son constat que plusieurs zones du cortex ont différentes cytoarchitectures.

Plus tard, en 1957, Wilder Penfield et Théodore Rasmussen générèrent l’homonculus cortical : une carte plus détaillée de zones de Brodmann sélectionnées montrant les régions contrôlant des fonctions spécifiques motrices et sensorielles.

Sur la base de ces impressionnantes études historiques de la structure du système nerveux aux niveaux microscopiques et macroscopiques, les neuroanatomistes d’aujourd’hui se demandent comment la structure est liée à la fonction. Pour commencer, certains chercheurs se focalisent spécifiquement sur la cytoarchitecture, ou l’arrangement de neurones et de gliales. Par exemple, pour étudier des noyaux spécifiques, ou des grappes de neurones dans le cerveau, il est utile de caractériser les sous-types neuronaux qui s’y trouvent et les connections que ces cellules font avec les autres régions du cerveau.

Etant donné que la cytoarchitecture est dynamique, une autre question clé de ce domaine se focalise sur comment et pourquoi les changements neuroanatomiques ont lieu.

Par exemple, l’apprentissage et la mémoire sont associés à la « neuroplasticité », ou les changements dans les voies neuronales, comme les altérations dans les points de contact structurels entre les neurones. De petites protubérances, appelées épines dendritiques, peuvent dynamiquement changer en taille, forme et nombre en fonction de l’activité.

La compréhension de la structure du système nerveux nécessite aussi d’expliquer ses disfonctionnements.

Par exemple, les maladies neurodégénérescentes sont associées à des changements neuroanatomiques caractéristiques, comme la dégénération de neurones dopaminergiques observée dans la maladie de Parkinson.

Après avoir présenté les questions clés que les neuroanatomistes se posent, regardons les outils que ces scientifiques utilisent pour trouver des réponses.

Tout d’abord, l’histologie, ou l’analyse de tranches de tissus colorés, est une technique essentielle pour étudier la cytoarchitecture.

Les neuroanatomistes ont un grand nombre de colorants à leur disposition pour visualiser les structures spécifiques dans le système nerveux.

L’histochimie est une branche de l’histologie basée sur la localisation et l’identification des composants chimiques. Une utilisation particulièrement précieuse de l’histochimie est la détection de traceurs : des molécules qui sont introduites dans les neurones pour visualiser leurs connections à l’intérieur du système nerveux.

Comme nous l’avons mentionné précédemment, l’avènement du microscope a révolutionne la manière dont la neuroanatomie est étudiée. Le microscope optique permet d’imager des tissus neuronaux histologiquement colorés jusqu’à mille fois leur taille originale, révélant ainsi la cytoarchitecture. Le microscope à fluorescence permet d’imager des protéines immunoétiquetées dans des sections de tissu, ou en culture, et permet des études de co-localisation, qui impliquent de determiner si oui ou non deux protéines sont très proches à l’intérieur d’un seul neurone.

L’imagerie confocale est une méthode améliorée de microscopie de fluorescence qui permet la découpe optique de tissus neuronaux et peut donc être utilisée pour générer des reconstructions 3D de neurones afin que leur morphologie, ou forme, puisse être étudiée. La microscopie à deux photons est un autre type d’imagerie par fluorescence, qui peut pénétrer profondément dans les tissus et est souvent utilisée pour l’imagerie en direct de cerveaux d’animaux en mouvement.

Cependant, aucun photon ne peut pénétrer comme un électron, ainsi la microscopie électronique est inestimable pour fournir une résolution subnanométrique des structures neuronales. En particulier, la synapse a été visualisée en détails précis en utilisant la microscopie électronique en transmission. De plus, en compilant les images obtenues des séries de sections visualisées avec un microscope électronique, la reconstruction 3D de « volumes » neuronaux peut être générée par un procédé appelé la tomographie.

Pour suivre les changements dans les structures neuroanatomiques au cours du temps, la neuroimagerie est un outil extrêmement utile. L’imagerie par résonance magnétique, ou IRM, est largement utilisée pour étudier le cerveau humain. Cette technique fournit une image du cerveau en entier avec une résolution allant jusqu’à 1 mm. L’IRM peut être utilisé pour étudier la matière blanche à travers une tractographie. Avec cette technique, les neuroanatomistes visualisent les paquets d’axones, révélant les connections entre, et à l’intérieur des zones du cerveau.

En vue d’évaluer les corrélats entre la neuroanatomie et les états de maladie, les scientifiques font fréquemment l’usage de techniques chirurgicales appliquées sur des modèles animaliers. La chirurgie stéréotaxique utilise un système à 3 dimensions et des atlas anatomiques détaillés pour permettre aux chercheurs de manipuler physiquement des zones anatomiques isolées. Avec un appareil stéréotaxique et l’information anatomique appropriée, il est possible de livrer des stimulations électriques, d’introduire des médicaments ou d’autres substances, ou de créer des lésions dans des régions ciblées du cerveau.

Ensuite, regardons quelques utilisations de ces méthodes. Des informations détaillées sur la structure du cerveau peuvent être obtenues à travers l’analyse de cerveaux conservés qui sont finement coupés en sections. Pour mettre en évidence des caractéristiques structurelles distinctes, ces sections de cerveau de primate furent teintées pour montrer l’expression de trois protéines à travers le cerveau entier. Les sections colorées peuvent aussi être étudiées sous haut grossissement, permettant aux chercheurs de visualiser la structure au niveau cellulaire.

L’expérimentation peut modifier la structure neuronale au niveau cellulaire. Dans cette expérience, de jeunes rats furent exposés à des stimuli tactiles tout au long de leur développement. Lorsqu’ils atteignent l’âge adulte, des échantillons de cerveau sont collectés et colorés pour visualiser la morphologie des cellules. Les images résultantes révèlent des changements dans la forme et le nombre de dendrites, suggérant une connectivité neuronale altérée.

La neuroanatomie est cruciale dans les paramètres cliniques, vu qu’elle contribue au diagnostic et traitement de maladies neurologiques et psychiatriques. Par exemple, les changements dans la cytoarchitecture sont étroitement liés à certains états maladifs. Les techniques de neuroimagerie structurelle sont fréquemment combinées avec l’imagerie fonctionnelle pour comparer l’activité de régions spécifiques de cerveaux normaux et malades. Par exemple, les patients souffrant de commotion cérébrale montrent des variations dans les motifs d’activité neuronale, en correlation avec le rétablissement de la blessure.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la neuroanatomie. Dans cette vidéo, nous avons retracé l’histoire de la recherche en neuroanatomie et introduit les questions clés que les neuroanatomistes se posent. Nous avons aussi exploré les stratégies de recherche aux niveaux microscopiques et macroscopiques et présenté leurs utilisations.

Merci de nous avoir regardés!

Transcript

Through the study of neuroanatomy, scientists attempt to draw a map to navigate the complex system that controls our behavior. On the microscopic level, neuroanatomists investigate the relationships between signaling cells, known as neurons; maintenance cells, known as glia; and the extracellular matrix structure that support them. From a broader view, at the organ level, neuroanatomy examines brain structures and nerve pathways.

This video will provide an overview of neuroanatomical research by introducing the history of the field, key questions asked by neuroanatomists, and the tools available to answer those questions, followed by a review of some specific experiments investigating neuroanatomy.

Let’s begin by reviewing the history of this branch of neuroscience. The roots of neuroanatomical research can be traced back to the 4th century BC, when Hippocrates hypothesized that mental activity resides in the brain, rather than the heart.

But it was not until the end of the 15th century, when Pope Sixtus IV destigmatized human dissection, that the study of neuroanatomy was revitalized, as reflected by the publication in 1543 of Andreas Vesalius’s “On the Workings of the Human Body,” which included a detailed account of brain anatomy.

Expanding on this work, in 1664, Thomas Willis published the “Anatomy of the Brain”, in which he introduced several novel neurological structures and speculated on their function. This work is now considered to be the foundation of modern neuroanatomy.

At the end of the 16th century, the invention of the microscope spurred a second revolution in neuroanatomical research. Following on this technological breakthrough, in 1873, Camillo Golgi invented a staining technique to visualize single neurons under the microscope.

Thanks to these innovations, in 1888, Santiago Ramón y Cajal formulated the Neuron Doctrine: the idea that the anatomical and functional unit of the brain is the neuron.

Back at the macroscopic level, in 1909, Korbinian Brodmann published a series of brain maps, where he divided the cerebral cortex into 52 distinct areas, termed “Brodmann’s areas.” These maps were based on his observation that various cortical areas have different cytoarchitecture.

Later, in 1957, Wilder Penfield and Theodore Rasmussen generated the cortical homunculus: A more detailed map of a select Brodmann areas showing the regions controlling specific motor and sensory functions.

Building upon these impressive historical studies of nervous system structure at the microscopic and macroscopic levels, today’s neuroanatomists ask questions concerning how structure relates to function. To begin, some researchers focus specifically on cytoarchitecture, or the arrangement of neurons and glia. For example, to investigate specific nuclei, or neuron clusters in the brain, it is helpful to characterize the neuronal subtypes found there and the connections those cells make with other brain regions.

Given that cytoarchitecture is dynamic, another key question in this field focuses on how and why neuroanatomical changes take place.

For example, learning and memory are associated with “neuroplasticity,” or changes in neural pathways, like alterations in the structural contact points between neurons. Small protrusions, called dendritic spines, can dynamically change in size, shape, and number in an activity-dependent manner.

Understanding the structure of the nervous system is also pivotal to explaining its dysfunction.

For instance, debilitating neurodegenerative diseases are associated with characteristic neuroanatomical changes, such as the degeneration of dopaminergic neurons observed in Parkinson’s disease.

Having discussed the key questions that neuroanatomists ask, let’s review the tools these scientists use to find answers.

First, histology, or the analysis of stained tissue slices, is an essential technique for studying cytoarchitecture.

Neuroanatomists have a number of stains at their disposal to visualize specific structures in the nervous system.

Histochemistry is a branch of histology based on the localization and identification of chemical components. One particularly valuable application of histochemistry is the detection of tracers: Molecules that are introduced into neurons to visualize their connections within the nervous system.

As we mentioned previously, the advent of the microscope revolutionized the way that neuroanatomy was studied. The light microscope enables histologically-stained neuronal tissue to be imaged at up to a thousand times its original size, thereby revealing cytoarchitecture. The fluorescence light microscope allows for immunolabeled proteins to be imaged in tissue sections, or in culture, and permits colocalization studies, which involve determining whether or not two proteins are in close proximity within a single neuron.

Confocal imaging is an improved method of fluorescence microscopy that permits the optical sectioning of neuronal tissue and can therefore be used to generate 3D reconstructions of neurons so their morphology, or shape, can be studied.

2-photon imaging is another type of fluorescence imaging, which can penetrate deeply into tissue and is often used for live imaging of the brain in behaving animals.

However, no photon can penetrate quite like an electron, so electron microscopy has been invaluable for providing subnanometer resolution of neuronal structures. In particular, the synapse has been visualized in exquisite detail using transmission electron microscopy. Furthermore, by compiling the images obtained from serial sections visualized with electron microscopy, 3D reconstructions of neuronal “volumes” can be generated via a process known as tomography.

To monitor changes in neuroanatomical structures over time, neuroimaging is an extremely useful tool. Magnetic resonance imaging, or MRI, is extensively used to investigate the brain in humans. This technique provides a picture of the brain as a whole, down to a 1 mm resolution. MRI can be used to investigate white matter through tractography. With this technique, neuroanatomists visualize bundles of axons, revealing connections between, and within, brain areas.

In order to assess the correlates between neuroanatomy and disease states, scientists frequently make use of surgical techniques applied to animal models. Stereotactic surgery uses a 3-dimensional coordinate system and detailed anatomical atlases to allow researchers to physically manipulate isolated anatomical areas. With a stereotactic apparatus and the appropriate anatomical information, it is possible to deliver electrical stimulation, introduce drugs or other substances, or create lesions in targeted regions of the brain.

Next, let’s review some applications of these methods. Detailed information about brain structure can be obtained through analysis of preserved brains that are thinly sliced into sections. To highlight distinct structural features, these sections of primate brain were stained to show the expression of three proteins throughout the entire brain. Stained sections can also be studied at high magnification, allowing researchers to visualize structure at the cellular level.

Experience can modify neuronal structure at the cellular level. In this experiment, young rats are exposed to tactile stimuli throughout development. When they reach adulthood, brain samples are collected and stained to visualize cell morphology. The resulting images reveal changes in the shape and number of dendrites, suggesting altered neuronal connectivity.

Neuroanatomy is pivotal in clinical settings, as it contributes to diagnosis and treatment of neurological and psychiatric diseases. For instance, changes in cytoarchitecture are tightly linked to certain disease states. Structural neuroimaging techniques are frequently combined with functional imaging to compare the activity of specific brain regions in normal and disease states. For instance, patients suffering from concussion exhibit changes in neural activity patterns, which correlate with their recovery from the injury.

You’ve just watched JoVE’s introduction to neuroanatomy. In this video, we retraced the history of neuroanatomy research, and introduced the key questions neuroanatomists ask. We have also explored research strategies at the microscopic and macroscopic levels, and discussed their applications.

Thanks for watching!